【大学】材料科学基础（中英版）

1、.材料科学基础Fundamental of Materials Science第2页Fundamental of Materials ScienceCourse objectiveIntroduce fundamental concepts in MSEYou will learn about:material microstructurehow microstructure influence propertieshow processing can change structurehow material interact with environment factorsThis cour

2、se will help you to:Make and use materials correctlyfind new applications for materials第3页材料科学基础课程目的：介绍材料科学与工程的基本概念学习内容：材料的组成和结构材料的组成对性质的影响加工对材料组成的影响材料与环境因素的相互作用课程目标：正确制备与使用材料实现材料的创新应用设计第4页lecturesLecturer:Total course times64 hoursLectures: 28 sessions, 2 hours / weekRecitations: 2 sessions, 2 hour

3、s / session2 experiments, 2 sessions. Time:Location:Activities:Present new study materialAnnounce reading and homeworkTake quizzes第5页授课信息授课人：时间：地点：主要活动：教授新课布置作业课堂测验第6页RecitationsInstructor:TimesLocation:Purpose:review lecture conceptsdiscuss homework, quizzes exams第7页习题课指导人：时间：地点目的：复习课程内容讨论作业、小测验和期中

4、考试第8页Teaching ScheduleSession 1: General introSession 2: Atomic bondingSession 3: Symmetry第9页Grading期末闭卷考试（Final exam）：60%实验（Lab）：10%平时考勤（Attendance): 10%课程报告 (Project): 10%课后作业 (Homework): 10%第10页Course bookTextbook无机材料科学基础，宋晓岚，黄学辉，化学工业出版社，2006Fundamentals of Ceramics, Michel Barsoum, Institute of

5、Physics, 2003References材料导论，师昌绪，化学工业出版社，2002材料科学基础，陆佩文，武汉理工大学出版社， 1996材料科学基础，潘金生，清华大学出版社，1998材料科学与工程基础，（美）史密斯等，机械工业出版社，2006Fundamentals of materials science and engineering. (fifth edition) William D. Callister.Essentials of materials Science and Engineering. Donald R. Askeland, Pradeep P.Phule.第一章第

6、一章 绪论绪论 Chapter I An Overview第12页Learning ObjectivesList the four primary classifications of solid materials and then cite the distinctive physical & chemical feature of each.List four different traditional inorganic materials.List different types of advanced inorganic materials.Cite the general

7、 characteristics of inorganic materials.Cite the synthesis of inorganic materials.Cite the general manufacture process of inorganic products.Understand the principles of selection of inorganic materials.第13页学习目标列出四种固体材料及其物理化学特性列出四种传统的无机非金属材料列出不同类型的先进无机非金属材料了解无机非金属材料的特性了解无机非金属材料的合成方法了解无机非金属产品的制备工艺掌握无

8、机非金属材料的选用原则第14页ContentsWhat is materialMaterials and civilizationClassification of materialsMaterials science and engineeringMaterials scienceMaterials engineeringRelations between Materials science and engineeringFour components of discipline of materials science and engineeringInorganic materialsT

9、raditional inorganic materialsAdvanced inorganic materialsCharacteristic of inorganic materialsSynthesis and processing of inorganic materialsSelection of inorganic materialsContents of materials science and engineering第15页本章内容什么是材料材料与人类文明材料的分类材料科学与工程的内涵材料科学材料工程材料科学与工程的关系材料科学与工程四要素无机材料传统无机材料先进无机材料无机

10、材料的特点无机材料的合成和制备工艺无机材料的选用原则本课程的教学内容第16页What is material?What is material?Materials is physical substance which may be shaped or manipulated to make tools, instruments, or products. Materials are matters, however, not all matters are materials.Materials, energy and information are the three pillars of

11、 current human civilization.Materials science and engineering, together with sustainable energy technology, information technology and bio-technology, are the four fundamental pieces of new technology revolution. 第17页 What is material? Materials and civilizationDifferent materials are milestones of

12、human early civilizations.Old stone age (250,000BC10,000BC). New stone age (10,000BC-3,000BC).Bronze age (3,0001BC).Iron age (1AD1880AD).Materials in first industrial revolution (1881-1935).Materials in second industrial revolution (1935-1980).Materials today too,ooo,ooo many (1980- ）.第18页 What is m

13、aterial? Classifications of materialsBased on the chemical composition:Metals, Non-metal inorganic materials (ceramic mateials)Polymers, CompositesBased on physical propertiesBased on the industrial applications第19页1.1 什么是材料材料的分类金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料第20页Materials science and engineeringWhat is materi

14、als science?The discipline of materials science involves investigating the relationships that exist among the composition, the structures, the properties and performance of materials. solid matters are the concerns of in materials science. It is based on many fundamental subjects, such as solid phys

15、ics, thermal dynamics, kinetics, quantum mechanics, metallurgy, and chemistry, etc.What is materials engineering?In contrast, materials engineering is techniques of designing or engineering the structure of a material to produce a predetermined set of properties. 第21页材料科学与工程材料科学与工程什么是材料科学?材料科学是一门以固体

16、材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化学为基础的应用学科，主要探讨材料的组成、结构与性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。 什么是材料工程材料工程是对材料的结构进行设计和处理，并制备出具有某些特定性质的工艺即工程技术问题。第22页Materials science and engineeringThe relationship between materials science and materials engineeringMaterials engineering How to makeMaterials science Why it has

17、第23页材料科学与材料工程的关系材料科学与材料工程的关系材料科学的核心问题是结构和性能的关系。研究材料科学的核心问题是结构和性能的关系。研究“为为什么什么”的学问。的学问。材料工程是通过合理的、经济的控制材料的结构、性材料工程是通过合理的、经济的控制材料的结构、性能和形状，制备出有一定特性的材料的方法和技术。解决能和形状，制备出有一定特性的材料的方法和技术。解决“怎么做怎么做”的问题的学问。的问题的学问。材料科学的基础理论为材料工程研究指明方向，为更材料科学的基础理论为材料工程研究指明方向，为更好的选择材料、使用材料、发挥现有材料的潜力、发展新好的选择材料、使用材料、发挥现有材料的潜力、发展新

18、材料提供理论基础；材料工程则具体的解决制备、合成加材料提供理论基础；材料工程则具体的解决制备、合成加工中出现的技术及工程问题。工中出现的技术及工程问题。第24页Synthesis & processingperformancepropertyComposition & structure（chemistry）（engineering）（physics）Four components of discipline of materials science and engineering第25页材料科学与工程的四个基本要素：材料科学与工程的四个基本要素： 合成与加工、组成与结构、性合

19、成与加工、组成与结构、性质、使用性能。质、使用性能。探索这四个要素之探索这四个要素之间的关系，涵盖了从基础学科到工间的关系，涵盖了从基础学科到工程的全部内容。程的全部内容。合成与制备过程合成与制备过程使用性能使用性能性质性质组组成成与与结结构构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）材料科学与工程四要素第26页1. Pick Application Determine required PropertiesProperties: mechanical, electrical, thermal, magnetic, optical, deteriorative.2. Properti

20、es Identify candidate Material(s)Material: structure, composition.3. Material Identify required ProcessingProcessing: changes structure and overall shapeex: casting, sintering, vapor deposition, doping, forming, joining, annealing.第27页Inorganic materialsTraditional inorganic materialsRefers to mater

21、ials which are mainly made of SiO2 and silicates.Four classifications:CementCeramicsGlassRefractory 第28页无机材料传统无机材料主要指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，非金属矿、搪瓷、磨料、铸石和碳素材料等也属于传统的无机非金属材料。四类无机材料水泥陶瓷玻璃耐火材料第29页CementCement is a binder or substance which becomes plastic slurry, sets and hardens i

22、n air or water. And it is usually a fine hydraulic powder which can bind sand and gravel other materials together to form strong build materials, such as mortar or concrete.第30页水泥水泥水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化的胶凝材料，通常为细粉状，具有水化又能在水中硬化的胶凝材料，通常为细粉状，具有水硬性，能够将砂、石等材料牢固地胶结在形成坚硬的

23、建硬性，能够将砂、石等材料牢固地胶结在形成坚硬的建筑材料，例如砂浆或混凝土。筑材料，例如砂浆或混凝土。第31页CeramicsTraditionally, ceramics are made from clay. After blended with other materials, the mixture are ground, mould and sintered to produce pottery objects. It can be grouped into two types of ceramics, ordinary ceramics and special ceramics.

24、It also can be classified as potteries and porcelains, based on their different micro structure and physical properties.第32页陶瓷传统陶瓷是以粘土为主要原料，与其它矿物原料等经过传统陶瓷是以粘土为主要原料，与其它矿物原料等经过粉碎、混炼、成型和煅烧后形成的各种制品。可分为两粉碎、混炼、成型和煅烧后形成的各种制品。可分为两大类，即大类，即普通陶瓷和特种陶瓷普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷包括日用陶瓷、。普通陶瓷包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用卫生陶瓷

25、、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。按其概念和用途不同，根据陶瓷坯体结构及其基陶瓷。按其概念和用途不同，根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器陶器和瓷器。第33页表表1 普通陶瓷的分类方法普通陶瓷的分类方法 第34页Ceramics (cont)Potteries, or earthenware, has three subsets, including coarse pottery, ordinary pottery, fine pottery.According to the water absorption capaci

26、ty, porcelains, can be divided into stoneware, ordinary porcelain and fine porcelain. 第35页陶瓷（续）根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为品可分为陶器和瓷器陶器和瓷器。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。 第36页吸水率吸水率（

27、%）特征特征陶器陶器粗陶器粗陶器15不时施釉，制作粗糙不时施釉，制作粗糙普通陶器普通陶器12断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细精细细陶器细陶器15断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施釉，制作断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施釉，制作不够精细不够精细瓷器瓷器炻瓷器炻瓷器3透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口呈石状，透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口呈石状，制作精细制作精细普通瓷器普通瓷器1有一定透光性，断而呈石状或贝壳状，制作精细有一定透光性，断而呈石状或贝壳状，制作精细细瓷器细瓷器0.5透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细透光性好，断面细腻，

28、呈贝壳状，制作精细性性质质及及特特征征类类别别表表 2 中国日用瓷分类标准中国日用瓷分类标准第37页Ceramics (cont)Special ceramics are also called high technical ceramics, which have special electrical, thermal, optical or mechanical properties. It can be further classified into functional and structural ceramics. Structural ceramics usually own d

29、istinctive mechanical properties, such as high abrasion resistance, high strength, high thermal impact, high hardness, high rigidity or thermal insulation, while functional ceramics have particular electromagnetic, optical, bio, or nuclear functions.第38页特种陶瓷特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶是用于各种现代工业及尖端科学技术领域

30、的陶瓷制品。瓷制品。包括包括结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷。结构陶瓷主要用于。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。第39页GlassGlass generally refers to amorphous solid materials by super-cooling fused mass to a rigid conditio

31、n without crystallizing.According to their different ingredients, glasses can be silicate glass, borate glass, phosphate glass, etc. And their network former ingredients are SiO2, B2O3, and P2O5, separately.Traditionally, glasses can be classified into common glasses and special glasses. 第40页玻璃玻璃玻璃是

32、由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和和P2O5。习惯上玻璃态。习惯上玻璃态材料可分为材料可分为普通玻璃普通玻璃和和特种玻璃特种玻璃两大类。两大类。第41页RefractoryA refractory material is one that retains its strength at high temperatures over 1580 . Refractories are

33、 non-metallic materials having those chemical and physical properties that made them applicable for structures, or as components of systems, that are exposed to high temperature environments.Refractory materials are used in linings for furnaces, kilns, incinerators and reactors, and withstood the co

34、rresponding physical, chemical or mechanical impacts.Most refractory materials are made from natural minerals, such as refractory clay, silica, magnesite, white mica, etc.第42页耐火材料耐火材料耐火材料是指耐火度不低于耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材料。的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高

35、温窑炉等热工设但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。菱镁矿、白云母等）为原料制造的。 第43页Advanced inorganic materialsAdvanced ceramicSpecial glassSynthetic crystalSemiconductor materialsF

36、ilm materialsInorganic fiberPorous materials第44页新型无机材料新型陶瓷特种玻璃人工晶体半导体材料薄膜材料无机纤维多孔材料第45页Characteristic of inorganic materialsChemical bonds between the atoms of inorganic materials are ionic bonds, covalent bonds or ionic-covalent bonds. Therefore, inorganic materials have high melting points, high s

37、trength, high abrasive resistance, high hardness and high corrosion resistance, etc. And many of them have special properties, such as semi conductivity, light transmittance, ferroelectricity, ferromagnetism, piezoelectricity, or super conductivity, etc.No longer limited to silicate, it also include

38、s carbide, oxide, nitride, boride, etc.Have different form and microstructure, Could be nano- particles, film, fiber, amorphous or porous materials, single crystals.Usually need special synthetic and processing technologies.第46页无机材料的特点原子间的结合力主要是离子键，共价键或离子-共价键组成的混合键。因此，无机材料多是熔点高，强度高，耐磨性好，硬度高和耐腐蚀性好的材料，许多无机材料都具有特殊的性质，例如半导体性，透光性，铁电性、铁磁性，压电性或者超导性等特殊的性质。组成不再限于硅酸盐，还可以包括碳化物、氧化物、氮化物、硼化物等。具有不同的形态和显微结构，可以是纳米粒子、薄膜、纤维，无定形或多孔材料，或者单晶。通常需要某些特殊的合成或制备工艺。第47页Synthesis and processing of inorganic materialsFive steps:Preparation raw materials or powderingMoldin